小型煤矿低浓度瓦斯发电技术及应用效果研究.pdf

第 42 卷第 3 期能 源 与 环 保 Vol. 42 No. 3 2020 年3 月 China Energy and Environmental ProtectionM ar. 2020 檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾 檾 檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾 檾 殧 殧 殧 殧 资源利用与节能 收稿日期 2019 － 12 － 01； 责任编辑 郭海霞 DOI 10. 19389 ／ j. cnki. 1003 － 0506. 2020. 03. 021 基金项目 “ 十三五” 国家科技重大专项资助项目（ 2016ZX05043- 005- 003） 作者简介 廉常军（ 1987） ， 男， 河南驻马店人， 工程师， 硕士， 2014 年毕业于中国矿业大学， 现从事煤矿瓦斯灾害防治技术研究以及装备开发 工作。 引用格式 廉常军. 小型煤矿低浓度瓦斯发电技术及应用效果研究［ J］ . 能源与环保， 2020， 42（ 3） 96- 99. Lian Changjun. Research on low concentration gas power generation technology and application effect in small coal mine［ J］ . China Energy and Environmental Protection， 2020， 42（ 3） 96- 99. 小型煤矿低浓度瓦斯发电技术及应用效果研究 廉常军1， 2 （ 1. 中煤科工集团 重庆研究院有限公司， 重庆 400037； 2. 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037） 摘要 针对云南富源县辖区内大量小型煤矿抽采的低浓度瓦斯未开展有效利用的问题， 以区内某小型 煤矿为背景， 采用现场调研、 分析归纳、 理论计算相结合的方法对其低浓度瓦斯发电项目展开分析研 究。研究表明， 某小型煤矿低浓度瓦斯发电项目成功的关键是“ 瓦斯治理先行” 理念主导下的气源保 障综合技术体系。在气源得以保障的基础上， 该小型煤矿低浓度瓦斯发电项目已经持续高效运行 4 年， 每年创造经济收益约403. 2 万元， 减排 CO2约4. 47 万 t； 同时促进了煤矿瓦斯治理工作有效落实， 提高了煤矿安全生产水平， 保障了煤矿产量的达标。 关键词 小型煤矿； 低浓度瓦斯发电； 气源保障； 瓦斯输送 中图分类号 TD712 文献标志码 A 文章编号 1003 － 0506（ 2020） 03 － 0096 － 04 Research on low concentration gas power generation technology and application effect in small coal mine Lian Changjun1， 2 （ 1. China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute， Chongqing 400037， China； 2. National Key Laboratory ofGas Disaster Detecting， Preventing and Emergency Controlling， Chongqing 400037， China） Abstract Aiming at the problem that the low- concentration gas extracted from a large number of small coal mines in the area under the jurisdiction of Fuyuan County in Yunnan has not been effectively utilized， a small coal mine in the region is used as the background. This paper adopts a combination of field investigation， analysis and induction and theoretical calculations to analyze and study its low- concentration gas power generation project. Research shows that the key to the success of a small- scale coal mine low- concentration gas power generation project is a comprehensive technical system for gas source protection led by the concept of ＂ gas management first＂ . On the basis of ensuring the gas source， this small coal mine low- concentration gas power generation project has continued to operate effi- ciently for 4 years， generating economic benefits of about 4. 032 million yuan each year and reducing CO2by about 44 700 tons； mean- while， it has promoted the coal mine gas management work. Effective implementation has improved the safety production level of coal mines and ensured that the coal mine production standards were met. Keywords small coal mine； low- concentration gas power generation； gas source guarantee； gas transportation 0 引言 瓦斯是煤炭在漫长的成煤过程中生成的一种以 甲烷为主要成分的可燃气体， 属于高热值的清洁能 源［ 1］。煤矿普遍采用抽采瓦斯的方法将煤层中的 部分瓦斯提前抽出来， 进而降低风排瓦斯量， 确保井 69 万方数据 2020 年第 3 期廉常军 小型煤矿低浓度瓦斯发电技术及应用效果研究 第 42 卷 下作业环境中瓦斯浓度不超过 1％。 低浓度瓦斯发电就是以抽采瓦斯为气源（ 研究 表明［ 2］， 现 阶 段 我 国 55％ 抽 采 瓦 斯 浓 度 低 于 30％） ， 使用瓦斯发电机发电并售卖或自用。该技 术［ 3］既可以利用高效清洁的甲烷能源， 又可以减少 温室气体的排放（ 甲烷的温室效应为 CO2的 21 倍） ， 还可以增加经济收益， 促进瓦斯治理工作投 入， 保障煤矿安全高效生产。目前， 瓦斯发电技术在 中及大型煤矿中应用广泛； 小型煤矿由于瓦斯抽采 纯量小、 浓度低（ 瓦斯浓度不足 15％） ， 变化幅度大， 限制了发电机组的运行效率， 推广缓慢［ 4］。 云南省富源县为滇东地区核心产煤区， 县域内 分布有 93 对地方煤矿， 其中， 小型煤矿 81 对， 占比 高达 87％； 建设地面瓦斯抽采泵站的煤矿有 83 对， 占比高达 89％； 建设瓦斯发电站的却只有 5 对， 稳 定运行的只有 2 对， 其中 1 对为某小型煤矿。 针对某小型煤矿瓦斯发电项目建设面临的气源 纯量小、 不稳定的问题， 笔者以该小型煤矿低浓度瓦 斯发电工程为背景， 采用现场调研、 分析归纳、 理论 计算的方法， 分析研究了其气源供应保障技术体系、 低浓度瓦斯发电项目建设关键工艺、 瓦斯发电项目 应用效果， 以期为富源县辖区内其他小型煤矿开展 低浓度瓦斯发电项目提供参考。 1 某小型煤矿概况 煤矿生产能力 21 万 t／ a。井田内含煤层约 27 层， 其中全区及局部可采煤层 8 层。各可采煤层结 构及瓦斯参数见表 1。 表 1 煤矿可采煤层结构及瓦斯参数 Tab. 1 Structure of mineable coal seam and gas parameters 煤层 编号 煤层平均 间距／ m 煤层平均 厚度／ m 瓦斯含量／ （ m3 t － 1） 瓦斯压力／ M Pa C72. 128. 240. 55 17. 23 C8 1. 756. 140. 32 16. 15 C92. 329. 120. 67 14. 54 C151. 667. 970. 53 18. 58 C162. 128. 310. 56 33. 26 C191. 347. 470. 48 10. 99 C21 1. 468. 230. 55 8. 71 C242. 1310. 640. 47 27. 53 截至 2018 年 3 月， 煤矿保有煤炭储量约 2 121 万 t， 主要为气煤焦煤， 瓦斯储量约 18 622. 38 万 m3， 可抽采瓦斯量约 8 491. 81 万 m3。煤矿为高瓦 斯矿井， 采用下行式开采， 主要开采 C7、 C8、 C9煤层。 煤矿建有地面高、 低负压瓦斯抽采系统， 抽采泵 均为 BEC- 52 型。其中高负压抽采系统主要预抽采 掘面煤层瓦斯及被保护煤层卸压瓦斯， 低负压抽采 系统主要抽采采空区卸压瓦斯及采场覆岩导气裂隙 带瓦斯。近几年， 矿井瓦斯抽采率为 37. 23％ ～ 50. 64％。 2014 年， 煤矿开展地面低浓度瓦斯发电站建 设， 利用抽采的低浓度瓦斯来发电， 再将输出电力升 压后接入区域电网售卖。经过近几年的实践， 煤矿 总结出一套针对小型煤矿的气源保障综合技术体 系。不仅解决了瓦斯气源的问题， 保障发电站稳定 高效运行， 而且解决了矿井生产过程中的瓦斯威胁， 实现了矿井安全高效生产。 2 气源保障综合技术体系 充足、 高浓度、 稳定的瓦斯气源是瓦斯发电机组 高效持续运行的基础。该煤矿从矿井的实际情况出 发， 开发出一套气源保障综合技术体系。 （ 1） 调整采掘部署， 首采保护层。煤矿以掌握 的瓦斯赋存数据、 地勘资料、 邻近矿井的调研走访信 息为依据， 参照现有研究［ 5- 6］， 确定 C8煤层为首采 保护层， 形成对邻近的 C7、 C9、 C15、 C16煤层的采动卸 压保护作用。 （ 2） 强化掘进工作， 为瓦斯抽采提供时空保障。 煤矿组建了 5 个掘进队， 购置了 6 台 EBJ- 120TP 型 掘进机， 掘进速度能够达到 500 ～ 600 m／ 月。掘进 能力保障了矿井开拓、 准备、 预抽、 回采所圈划的煤 炭储量平衡（ 2017年底， 四量比例约为8. 0∶ 4. 8∶ 3. 2∶ 2. 1） ， 为瓦斯治理赢得了充分的时间和空间。 （ 3） 升级钻探装备， 推行大孔径、 长钻孔。煤矿 购置了 5 台 ZDY- 4000 型钻机， 可以施工孔径 85 ～ 120 mm 的钻孔， 稳定钻孔深度可到 180 m。 （ 4） 强化封孔管理， 制定 瓦斯抽采钻孔封孔考 核办法 。煤矿编制 瓦斯抽采钻孔封孔考核办 法 ， 要求钻孔全程安装抽采管， 采用“ 两端囊袋堵、 中间水泥浆注” 封孔法， 煤、 岩孔封孔深度分别不低 于 16， 14 m， 并施行钻孔质量责任制挂牌管理。 （ 5） 利用采场采动卸压效应， 优化抽采设计。 ①下延底板巷层位， 施工上向穿层钻孔抽采下部被 保护煤层群卸压瓦斯。C8煤层采煤面回采之前， 在 79 万方数据 2020 年第 3 期 能 源 与 环 保第 42 卷 采煤面下部的 C16煤层底板 15 m 处布置底板巷及上 向网格式穿层钻孔， 工作面回采期间同步抽采受采 动影响的 C9、 C15、 C16煤层卸压瓦斯。要求 钻孔见 C9煤层处间距为 25 m， 终孔穿过 C9煤层至顶板 2 m 处。②考察采场裂隙带层位， 优化高位钻孔设计。 煤矿采用钻孔冲洗液漏失量观测法及经验公式计算 法［ 7- 8］， 综合评估采场覆岩导气裂隙带高度， 要求高 位钻孔终孔位于裂隙带内， 并覆盖 C7煤层。③上隅 角全程吊挂筛孔抽放管， 抽采采空区富集瓦斯。研 究表明［ 9- 10］ 采空区内的富集瓦斯位于工作面后方 20 ～ 30 m 之外区域； 上隅角埋管可以调整采空区内 瓦斯流场， 防治上隅角瓦斯聚集。 为此， 煤矿要求 首先在工作面上、 下隅角处构 筑密闭墙； 然后沿工作面的回风巷吊挂 1 条瓦斯抽 放管（ 高度不低于 1. 5 m， 抽放管上加工筛孔并封 闭） ， 筛孔随工作面推进而进入至隅角密闭墙后再 打开， 实现既能抽采采空区浅处瓦斯来防治上隅角 瓦斯聚集， 又能抽采采空区深处富集瓦斯。 3 小型煤矿低浓度瓦斯发电工程建设 20142018 年， 该 矿 井 绝 对 瓦 斯 涌 出 量 为 18. 36 ～ 26. 15 m3／ min， 矿井瓦斯抽采量为 10. 55 ～ 12. 36 m3／ min， 高负压系统瓦斯浓度为 16. 46％ ～ 22. 27％，低 负 压 系 统 瓦 斯 浓 度 为 10. 53％ ～ 26. 25％。 考察研究后， 煤矿共购置了 3 台 500GF1- 3PwW 型低浓度瓦斯发电机。该机型能够根据气源的流量 及浓度变化自动调节空燃比， 适用于 6％ ～ 30％浓 度气源， 纯瓦斯消耗量约 3. 0 m3／ （ min 台） ； 采用多 级阻火抑爆装置及细水雾输送系统来保障低浓度瓦 斯管道安全输送。 瓦斯发电站位于瓦斯抽放站东侧 50 m 处， 高、 低负压抽采泵排气端气源通过闸阀接入汇流管及瓦 斯输送管线， 之后依次经过水封阻火器→瓦斯管道 专用阻火器→细水雾输送系统→溢流脱水水封阻火 器→旋风中粒脱水器→发电机组。 瓦斯发电站气源输送流程如图 1 所示， 发电站 建设现场如图 2 所示。 瓦斯发电站于 2014 年 8 月投入运行， 共投资约 852 万元。截至 2018 年 12 月， 3 台发电机组年平均 运行时长达到 20 600 h。机组输出电压 0. 4 kV， 经 变压器升压为 10 kV 后引入区域电网， 按照 0. 44 元／ （ kW h） 协议价格卖给电网公司。 水位自控式 水封阻火器 瓦斯专用管道 阻火器 水雾发生器 溢流脱水水封阻火器 旋风重力脱水器 发电机组 TEM电子 管理系统 图 1 煤矿瓦斯发电站气源运输、 处理流程 Fig. 1 Gas source transportation and treatment process in coal mine gas power station 图 2 煤矿瓦斯发电站现场 Fig. 2 Coal mine gas power station site 4 小型煤矿瓦斯发电应用效果考察 （ 1） 安全效益。20152018 年度， 煤矿的所有 采掘作业面均未发生高浓度（ 3％以上） 瓦斯超限， 低浓度（ 1％ ～ 3％） 瓦斯超限合计不超过 6 次／ a， 基 本解除了瓦斯对矿井安全生产的威胁； 煤矿的瓦斯 抽采率稳步提升（ 37. 23％ ～ 50. 64％） ， 预抽钻孔孔 口负压达到 17. 23 ～ 23. 43 kPa， 高位钻孔孔口负压 达到 7. 16 ～ 9. 22 kPa， 瓦斯抽采系统工况较优。 （ 2） 经济效益。20152018 年度， 煤矿 3 台发 电 机组每年的运行时长约2. 06万h， 每年发电约 1 030 万 kW h， 售电收入约 453. 2 万元／ a， 扣除维护 费、 人员工资共计 50 万元／ a， 每年可创造收益约 403. 2 万 元。发 电 站 投 资 回 收 期 为 2. 11 年。 20152018 年度， 该煤矿产量均实现 21 万 t／ a； 而 20112014 年度， 该煤矿产量均未超过 18 万 t／ a。 瓦斯发电站大幅提升了煤矿开展瓦斯治理工作的积 极性， 瓦斯的有效治理极大地释放了矿井的产量。 （ 3） 环境效益。20152018 年度， 该煤矿 3 台 机组每年利用甲烷约 370. 8 万 m3， 每年减排 CO2约 89 万方数据 2020 年第 3 期廉常军 小型煤矿低浓度瓦斯发电技术及应用效果研究 第 42 卷 4. 47 万 t， 环境效益显著。 5 结论 （ 1） 充分利用采场采动效应， 抽采高浓度卸压 瓦斯， 确保了瓦斯气源的纯量、 浓度； 掘进及钻探装 备能力的提高， 保障了瓦斯抽采的时间与空间， 确保 了瓦斯气源的持久、 稳定。 （ 2） 某煤矿瓦斯发电项目已经持续高效运行 4 年， 每年创造经济收益约 403. 2 万元， 2. 11 年即可 收回投资， 减排 CO2约4. 47 万 t， 并保障了煤矿的安 全生产及产量达标。 （ 3） 云南富源县小型煤矿数量众多， 开展抽采 的低浓度瓦斯的利用工作意义重大， 研究为此项工 作提供了一种可行的技术参考。 参考文献（ References） ［ 1］ 郭继圣， 张宝优. 我国煤层气（ 煤矿瓦斯） 开发利用现状及展望 ［ J］ . 煤炭工程， 2017， 49（ 3） 83- 86. 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